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Solid State Physics
Solid State Physics
Componenti
- Vittone Ettore (Coordinatore/Coordinatrice)
- Lo Giudice Alessandro
- Truccato Marco
- Olivero Paolo
- Re Alessandro
- Forneris Jacopo
- Picollo Federico
- Ditalia Tchernij Sviatoslav
Contatti
Settore ERC
Attività
The goal of the research of the group consists in the use of radiation beams (mainly protons, ions, X-rays, and neutrons) to modify material properties, in the study and characterization of materials and products of interest from both a technological and a cultural heritage point of view, and in the study of basic physical processes. The development and use of the techniques employing these radiation beams are also goals of the group.
The research activity mainly covers 4 different subjects:
- Diamond: Fundamental study of the effect of the ion implantation on the material properties (structural, optical, electrical, etc.), fabrication and photo-physical characterization of single luminescence centres for quantum technology applications (quantum sensing and cryptography, in particular); development of multi-electrode and nanoparticle bio-sensors to monitor in vitro the cell activity in real time.
- Superconductors and functional oxides: Fundamental study of the defects induced by high-flux density X-ray beams, synthesis of superconductors and modification of their structural and functional properties via X-ray irradiation, relation between X-ray irradiation and electromigration in semiconducting oxides.
- Ion beam functional analysis: Development of experimental methods, in particular concerning the IBIC (Ion Beam Induced Charge) technique, and of interpretive models for the characterization and functionalization of materials and electronic devices.
- Materials of historical-artistic and archaeological interest: development and use of novel characterization instruments and methods, archaeometric investigations, characterization of materials and artefacts performed by means of state-of-the–art instrumentation and in close cooperation with experts in humanities (historians, archaeologists, art conservators and restorers).
More details are available on the Solid State Physics group web page
The investigation methods make use of:
- Ion beams, both focussed and unfocused, in-vacuum or extracted in air, with different energy values (ranging from tens of keV up to a few MeV) and different atomic species, intended for composition/structure/functional material modification via implantation or deterministic damage. The characterization techniques based on ion beams include STIM (Scanning Transmission Ion Microscopy), PIXE (Proton Induced X-ray Emission), IBIC (Ion Beam Induced Charge), IBIL (Ion Beam Induced Luminescence), RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy).
- Synchrotron radiation focussed at the sub-micron or nanometre level, used both for modification and for characterization of the material properties by means of space resolved XRF (X-Ray Fluorescence), XRD (X-Ray Diffraction), XEOL (X-ray Excited Optical Luminescence), XANES (X-ray Absorption Near-Edge Spectroscopy), and XBIC (X-ray Beam Induced Current).
- Neutron beams for material characterization. These characterization techniques include PGAA (Prompt Gamma Activation Analysis), BENT (Bragg Edge Neutron Transmission), TOF-ND (Time Of Flight – Neutron Diffraction), plus imaging techniques (neutrongraphy and tomography).
- X-ray Computer Tomography performed by means of both X-ray tubes and synchrotron radiation to analyse materials and objects with sizes spanning from one millimetre to half a meter.
- Optical measurements: Single-photon traditional and confocal microscopy, photoluminescence spectroscopy, study of the photon emission quantum statistics (autocorrelation functions), Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR), IR/VIS/UV photogrammetry and Fiber Optic Refectance Spectroscopy (FORS).
- Transport measurements: IV curves in materials with high and low electrical conductivity (as a function of temperature), amperometric measurements of the exocytosis cell activity.
- Measurements for surface analysis with SEM (Scanning Electron Microscopy), XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), AFM (Atomic Force Microscopy), and Raman scattering.
- Computer numerical simulations based both on the Monte Carlo and on the Finite Element Methods.
- High-pressure thermal treatments for activation/stabilization of the structural/compositional modifications induced in irradiated samples.
- Optical photolithography and high-power laser-assisted micro-fabrication
National level:
INFN, INRiM, ENEA, CNR, CCR Venaria Reale, Museums.
International level:
Okayama University (Japan), Ruder Boskovic Institute (Croatia), Leipzig University (Germany), Universidad Autonoma de Madrid (Spain), CNRS-C2RMF (France), National Institute of Materials Physics (Romania), CNRS-CRISMAT (France).
Supranational level:
IAEA, ESRF.
Companies:
Several collaboration agreements with companies active in the automotive, biomedical, telecommunication sectors. More details are available on the web page
Ion beam, synchrotron radiation, cultural heritage, diamond, semiconductors, quantum technologies, radiobiology, colour centres, superconductors, functional oxides.
Obiettivo delle ricerche del gruppo consiste nell’impiego di fasci di radiazione (principalmente protoni, ioni, raggi X e neutroni) per la modificazione delle proprietà dei materiali, per lo studio e la caratterizzazione di materiali e manufatti di interesse sia tecnologico che culturale e per lo studio dei processi fisici fondamentali. Fa parimenti parte degli obiettivi del gruppo lo sviluppo e l’utilizzo delle tecniche che fanno uso di questi fasci di radiazione.
L’attività di ricerca si rivolge principalmente verso 4 differenti aree:
- Diamante: Studio fondamentale dell’effetto dell’impiantazione ionica sulle proprietà (strutturali, ottiche, elettriche, etc.) del materiale, creazione e caratterizzazione foto-fisica dei centri di luminescenza singoli per applicazioni nelle tecnologie quantistiche (in particolare, crittografia e sensoristica quantistica); sviluppo di bio-sensori multielettrodo e nano-particellari per il monitoraggio in vitro dell’attività cellulare in tempo reale.
- Superconduttori e ossidi funzionali: Studio fondamentale dei difetti indotti da fasci di raggi X ad alta densità di flusso, sintesi di superconduttori e modifica delle loro proprietà strutturali e funzionali attraverso raggi X, relazione tra irraggiamento X ed elettromigrazione in ossidi semiconduttori.
- Analisi funzionale con fasci ionici: Sviluppo di metodologie sperimentali, in particolare riguardanti la tecnica IBIC (Ion Beam Induced Charge), e di modelli interpretativi per la caratterizzazione e la funzionalizzazione di materiali e dispositivi elettronici.
- Materiali di interesse storico-artistico e archeologico: sviluppo e impiego di nuovi strumenti e metodi di caratterizzazione, indagini archeometriche, caratterizzazione dei materiali e dei manufatti effettuati utilizzando strumenti allo stato dell’arte e lavorando spesso in stretta collaborazione con esperti di discipline umanistiche (storici, archeologi, conservatori, restauratori).
Ulteriori dettagli sono disponibili sulla pagina web del gruppo di ricerca
Le metodologie di studio adottate prevedono l’utilizzo di:
- Fasci ionici, sia focalizzati sia non-focalizzati, sia in vuoto che estratti in aria, a diverse energie (dalle decine di keV ad alcuni MeV) e di diverse specie atomiche, per la modificazione composizionale/strutturale/funzionale attraverso l’impiantazione o il danneggiamento deterministico. Le tecniche di caratterizzazione basate su fasci ionici includono STIM (Scanning Transmission Ion Microscopy), PIXE (Proton Induced X-ray Emission), IBIC (Ion Beam Induced Charge), IBIL (Ion Beam Induced Luminescence), RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy).
- Radiazione di sincrotrone focalizzata a livelli submicronetrici o nanometrici, utilizzata sia per modificare le proprietà dei materiali sia per caratterizzarle attraverso le tecniche XRF (X-Ray Fluorescence), XRD (X-Ray Diffraction), XEOL (X-ray Excited Optical Luminescence), XANES (X-ray Absorption Near-Edge Spectroscopy) e XBIC (X-ray Beam Induced Current) risolte in spazio.
- Fasci di neutroni per la caratterizzazione dei materiali. Le tecniche di caratterizzazione includono PGAA (Prompt Gamma Activation Analysis), BENT (Bragg Edge Neutron Transmission), TOF-ND (diffrazione con neutroni mediante tempo di volo) e imaging (sia neutrografie che tomografie).
- Tomografia computerizzata con raggi X utilizzando sia tubi radiogeni che radiazione di sincrotrone per l’analisi di materiali e oggetti di dimensione variabile dal millimetro al mezzo metro.
- Misure ottiche: microscopia tradizionale e confocale a singolo fotone, spettroscopia in fotoluminescenza, studio di statistiche quantistiche di emissione (funzioni di autocorrelazione), misure di risonanza di spin rivelata otticamente, fotogrammetria IR/VIS/UV e FORS (Spettroscopia di Riflettanza a Fibre Ottiche).
- Misure di trasporto: caratteristiche IV in materiali ad alta e bassa conducibilità elettrica in funzione della temperatura, misure amperometriche di attività cellulare esocitotica.
- Misure di analisi delle superfici con tecnica SEM (Scanning Electron Microscopy), XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), AFM (Atomic Force Microscopy), scattering Raman.
- Simulazioni numeriche al computer basate sia su metodi Monte Carlo sia sul metodo agli elementi finiti.
- Processi termici ad alta pressione per l’attivazione/assestamento delle modifiche strutturali/composizionali di campioni irraggiati.
- Processi di fotolitografia ottica e di micro-fabbricazione mediante laser ad alta potenza.
Nazionali:
INFN, INRiM, ENEA, CNR, CCR Venaria Reale, Musei.
Internazionali:
Okayama University (Giappone), Ruder Boskovic Institute (Croazia), Leipzig University (Germania), Universidad Autonoma de Madrid (Spagna), CNRS-C2RMF (Francia), National Institute of Materials Physics (Romania), CNRS-CRISMAT (Francia).
Sovrannazionali:
IAEA, ESRF.
Aziende:
Numerosi accordi di collaborazione con aziende nel settore automotive, biomedicale, telecomunicazioni. Alcuni dettagli sono reperibili nella sezione dedicata agli Accordi e convenzioni del Dipartimento di Fisica
Fasci ionici, radiazione di sincrotrone, beni culturali, diamante, semiconduttori, tecnologie quantistiche, radiobiologia, centri di colore, superconduttori, ossidi funzionali.
Insights | Approfondimenti
- Semiconductor materials and basic devices: compositional, structural and functional characterization by means of MeV Ion Beam techniques
- The physics of diamond: characterization, and selective modification at the nano/micro scale; applications in bio-sensing and quantum optics
- Production and characterisation of high and medium critical temperature superconducting materials
- Physics applied to cultural heritage
Progetti
- Training on LASer fabrication and ION implantation of DEFects as quantum emitters (LasIonDef)
- Pushing bOundaries of nano-dimensionalmetrology by Light (POLight)
- Intelligent fabrication of QUANTum devices in DIAmond by Laser and Ion Irradiation (QuantDia)
- SAX - Strumentazioni avanzate per sistemi complessi
- Piemonte Quantum Enabling Technologies (PiQuET)